DE102019128251A1

DE102019128251A1 - Verfahren zum Fügen von zwei Fügepartnern mittels ultrakurzer Laserpulse

Info

Publication number: DE102019128251A1
Application number: DE102019128251.9A
Authority: DE
Inventors: Felix Zimmermann
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2021-04-22
Also published as: WO2021074427A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von zwei Fügepartnern (3) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Fügestrahls, bevorzugt zum Fügen von mindestens einem für die Laserpulse im Wesentlichen transparenten Fügepartner mit einem weiteren Fügepartner, besonders bevorzugt zum Fügen von zwei für die Laserpulse transparenten Fügepartnern, wobei die Fügeumgebung (12) räumlich um den Fügebereich (11) herum und/oder zeitlich vor und/oder nach dem Fügevorgang mittels ultrakurzer Laserpulse und/oder Dauerstrichstrahlung mindestens eines Prozessstrahls erhitzt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zwei Fügepartnern mittels ultrakurzer Laserpulse, bevorzugt zum Fügen von mindestens einem für die Laserpulse im Wesentlichen transparenten Fügepartner mit einem weiteren Fügepartner, besonders bevorzugt zum Fügen von zwei für die Laserpulse transparenten Fügepartnern und insbesondere zum Fügen von zwei Gläsern mittels ultrakurzen Laserpulsen.
Stand der Technik
Zum Fügen zweier Fügepartner miteinander ist es bekannt, die jeweiligen Fügepartner mittels eines Laserstrahls zu beaufschlagen, um auf diese Weise in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zone durch Energieabsorption eine Schmelze zu erzeugen, welche nach dem Erstarren der Schmelze eine Schweißnaht zwischen den Fügepartnern ausbildet.
Dabei ist es insbesondere bekannt, zur Herstellung einer Verschweißung eines transparenten Fügepartners mit einem nicht transparenten Fügepartner oder zum Verschweißen zweier transparenter Fügepartner den Fokus des Laserstrahls zwischen die beiden Fügepartner zu legen. Dies wird darüber erreicht, dass der bearbeitende Laserstrahl so fokussiert wird, dass der Energieeintrag in der Grenzfläche zwischen den Fügepartnern am höchsten ist, um entsprechend zwischen den beiden Fügepartnern eine Schmelze und dann nach dem Erstarren eine Schweißnaht bereitzustellen. Dabei tritt der bearbeitende Laserstrahl entsprechend durch eines der transparenten Fügepartner hindurch und wird erst auf der dem Eintrittsbereich gegenüberliegenden Seite des Fügepartners fokussiert.
Der bearbeitende Laserstrahl wird dabei durch entsprechende Optiken und eine damit einhergehende Strahlformung in das Material eines der Fügepartner, in beide Fügepartner und/oder in den Bereich einer Grenzfläche zwischen den beiden aneinander anliegenden Fügepartner fokussiert.
Beim Fügen von Fügepartnern kommt es aufgrund des starken lokalen Energieeintrags durch den fokussierten Laserstrahl zu hohen Temperaturen, welche in den umliegenden Materialbereichen nicht vorliegen. Entsprechend führt die für die Bearbeitung - beispielsweise für die Herstellung einer Schweißnaht - notwendige Wärme zu Temperaturspannungen gegenüber den umgebenden Materialbereichen. Entsprechend kann es zu Spannungen und/oder Rissen in dem Material im Bereich der Schweißnaht kommen, was in einer Reduzierung der Qualität der gefügten Materialien resultieren kann.
Fokussiert man ultrakurze Laserpulse in das Volumen von Glas, z.B. Quarzglas, so führt die hohe Intensität im Fokus zu nichtlinearen Absorptionsprozessen. In Abhängigkeit von den Laserparametern lassen sich so verschiedene Materialmodifikationen am Glas vornehmen. Wenn der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Glas im Fokusbereich. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann auf die Schmelztemperatur des Glases erhöht werden und schließlich das Glas lokal aufschmelzen.
Durch die transparenten Fügepartner, beispielsweise die miteinander zu fügenden Gläser, lässt sich erreichen, dass der Laserfokus durch den in Strahlrichtung ausgerichteten Glaskörper hindurch auf die zwischen den Fügepartnern liegende Grenzfläche fokussiert werden kann. Durch die sukzessive Wärmeakkumulation von Puls zu Puls verschiebt sich die Absorptionszone longitudinal in Richtung der Lasereinfallrichtung, so dass schließlich die Schmelze aus dem Glas in die Grenzfläche eintritt. Beim Abkühlvorgang der Schmelze kann dann eine stabile Verbindung der beiden Gläser entstehen, wobei die Schweißnaht durch den vorherigen Prozess in Lasereinfallrichtung elongiert erscheint. Im Falle eines kleinen Spaltes zwischen den Fügepartnern ist es möglich, dass die Schmelze den Spalt überbrückt, so dass auch Gläser mit kleineren Unebenheiten, welche nicht vollständig plan aneinander liegen, gefügt werden können.
In US 8,314,359 B2 sowie US 9,625,713 B2 werden Systeme und Verfahren beschrieben, bei denen mittels ultrakurzer Laserpulse zwei optisch transparente Materialen lokal im Bereich der gemeinsamen Grenzfläche aufgeschmolzen und dadurch schließlich zusammengeschweißt werden.
Bei diesen Verfahren können jedoch durch die hohen auftretenden Temperaturgradienten von dem Schweißpunkt aus zur Umgebung im Glas Materialspannungen entstehen, die Rissbildungen zur Folge haben können.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von den bekannten Fügeverfahren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fügeverfahren anzugeben, welches die Rissbildung vermindert beziehungsweise verhindert.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen von Fügepartnern mittels ultrakurzen Laserpulsen eines Fügestrahls angegeben, bevorzugt zum Fügen von mindestens einem für die Laserpulse im Wesentlichen transparenten Material mit einem weiteren Fügepartner, besonders bevorzugt zum Fügen von zwei für die Laserpulse transparenten Materialien. Erfindungsgemäß wird die Fügeumgebung räumlich um den Fügebereich herum und/oder zeitlich vor und/oder nach dem Fügevorgang mittels ultrakurzer Laserpulse und/oder Dauerstrichstrahlung eines Prozessstrahls erhitzt.
Das Verfahren wird dabei bevorzugt auf zwei Fügepartner aus Glas, beispielsweise Quarzglas, angewandt, bei dem der Fügestrahl eines Ultrakurzpulslasers durch den oberen, für die Wellenlänge des Ultrakurzpulslasers transparenten Fügepartner hindurch in die Nähe oder genau auf die gemeinsame Grenzfläche der beiden Fügepartner fokussiert wird.
Das Verfahren kann auch auf das Fügen eines ersten für den Fügestrahl transparenten Fügepartners und eines zweiten für den Fügestrahl im Wesentlichen opaken Fügepartners angewendet werden, beispielsweise zum Fügen eines ersten Fügepartners aus Glas mit einem zweiten Fügepartner aus Metall, beispielsweise Aluminium. Der Eintritt des Fügestrahls findet dabei durch den für den Fügestrahl transparenten Fügepartner hindurch statt.
Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption der Laserpulse eine Wärmeakkumulation statt, sofern die Pulsrate des Fügestrahls größer ist als die Rate des Wärmeabtransports durch materialspezifische Wärmetransportmechanismen. Durch die steigende Temperatur von Puls zu Puls, kann so schließlich die Schmelztemperatur des Fügepartners erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials des ersten Fügepartners führt, in welchen der Fügestrahl eintritt. Die entstehende Schmelze kann die gemeinsame Grenzfläche überbrücken und beim Abkühlen die Fügepartner dauerhaft miteinander verbinden.
Die Größe des Fügebereichs ist dabei durch die Strahlgeometrie, insbesondere den Fokusdurchmesser des Fügestrahls, bestimmt.
Die Fügeumgebung ist hierbei definiert als der Bereich, der sich durch die Absorption des Fügestrahls und den anschließenden Wärmetransport insgesamt erhitzt. Die Größe und Ausdehnung der Fügeumgebung ist dabei durch die Wärmediffusionszeit und das Laserabsorptionsvermögen des Glases sowie durch die Fügepulsrate bestimmt. Die Fügeumgebung kann beispielsweise den zwanzigfachen Durchmesser des Fügebereichs, oder auch das sechs- bis Zehnfache der Größe des Fügebereichs, einnehmen. Beispielsweise können sich thermische Gradienten einer 50µm breiten Schweißnaht auch noch bis zu 400µm außerhalb der Schweißnaht zeigen.
Durch die großen Temperaturgradienten die in der Fügeumgebung entstehen, kann es zu Materialspannungen kommen, die eine Rissbildung begünstigen. Um eine Rissbildung räumlich in der Fügeumgebung durch zu starke oder zu schnelle Erhitzung oder Abkühlung und zu große Temperaturgradienten zu vermeiden, wird die Fügeumgebung durch den Prozessstrahl in dem Prozessbereich zusätzlich erhitzt.
Der Prozessbereich ist dabei analog zum Fügebereich über die Strahlgeometrie, insbesondere über den Fokusdurchmesser des Prozessstrahls bestimmt. Die Prozessumgebung ist hierbei definiert als der Bereich, der sich durch die Absorption des Prozessstrahls und den anschließenden Wärmetransport insgesamt erhitzt. Die Größe und Ausdehnung der Prozessumgebung ist dabei durch die Wärmediffusionszeit und das Laserabsorptionsvermögen des Fügepartners, und somit über die mittlere eingekoppelte Prozessleistung bestimmt. Die Prozessumgebung kann analog zur Fügeumgebung beispielsweise den zwanzigfachen Durchmesser des Prozessbereichs, oder auch die zehnfache Größe des Prozessbereichs, einnehmen.
Bevorzugt überlappen die Fügeumgebung und die Prozessumgebung zumindest teilweise, so dass beispielsweise durch die höhere Temperatur in der Prozessumgebung Materialspannungen in der Fügeumgebung reduziert werden können. Der Überlapp von Füge- und Prozessumgebung ist dabei gegeben durch den Abstand der Füge- und Prozessbereiche, durch die Wärmediffisionszeit des Glases und die entsprechenden Laserabsorptionsvermögen für das Füge- und Prozesslaserlicht, und die mittlere eingekoppelte Leistung der Füge- und Prozesslaser.
Die Fügeumgebung kann somit räumlich um den Fügebereich herum mit einem Prozesslaser erhitzt werden, wenn die Prozessumgebung und die Fügeumgebung überlappen.
Der Prozessbereich kann dabei zeitlich vor und/oder nach dem Fügevorgang erhitzt werden. Zeitlich vor dem Fügevorgang bedeutet, dass der Puls des Fügestrahls auf einen bereits erhitzten Fügebereich trifft, beziehungsweise in die Prozessumgebung trifft. Zeitlich nach dem Fügevorgang bedeutet, dass der Prozessstrahl in die Fügeumgebung trifft, beziehungsweise der Überlapp der Prozessumgebung mit der Fügeumgebung zeitlich nach Auftreffen des Fügestrahls gebildet wird. Der zeitliche Abstand von Fügestrahl zu Prozessstrahl ist bevorzugt kleiner als die typische Wärmediffusionszeit im Glas zu wählen, beispielsweise kleiner als 10µs.
Natürlich kann der Prozessbereich auch gleichzeitig mit dem Fügevorgang erhitzt werden.
Es ist ferner möglich, dass der Prozessstrahl und der Fügestrahl von ein und demselben Ultrakurzpulslaser erzeugt werden, und beispielsweise durch eine Strahlteileroptik in zwei verschieden intensive Strahlen aufgeteilt wird. Einen zeitlichen Versatz der Pulse des Prozessstrahls und des Fügestrahls lässt sich dann durch verschiedene Strahlpfade und damit einhergehende unterschiedliche Laufzeiten der Teilstrahlen zum Fügepartner realisieren.
Der Ultrakurzpulslaser, der den Fügestrahl erzeugt, wird hierin Fügelaser genannt. Der Laser der den mindestens einen Prozessstrahl erzeugt wird hierin Prozesslaser genannt. Hierbei ist es möglich, dass der Prozesslaser ein Dauerstrichlaser ist und der Fügelaser ein Ultrakurzpulslaser ist. Insbesondere können der Prozesslaser und der Fügelaser auch mutatis mutandis auch die jeweils andere Aufgabe erfüllen.
Sollte nur ein Laser verwendet werden, so können Prozess- und Fügelaser synonym verwendet werden.
Insbesondere kann der Prozesslaser unabhängig vom genauen Betriebsmodus verschiedene Funktionen erfüllen. Beispielsweise kann er thermisch auf Materialmodifikationen einwirken, oder auf die umliegenden Bereiche der Materialmodifikation einwirken. Der Prozesslaser kann auch zur Herstellung maßgeschneiderter permanenter Materialmodifikationen verwendet werden, beispielsweise um Spannungen aus dem Material zu heilen, Material umzuformen oder um zuvor erzeugte Schweißnähte zu erweitern.
Ein Vorteil dieses Verfahren ist es, dass durch den Prozessstrahl Materialspannungen aus der Fügeumgebung ausgeheilt bzw. reduziert werden, so dass eine Rissbildung unterdrückt wird.
Es wird so auch ermöglicht, Materialien auch bei geringer Probenebenheit oder großen Spaltabständen permanent und mit hoher Festigkeit zu fügen. Bei diesem Verfahren werden zudem keine zusätzlichen Materialien wie beispielsweise Klebstoffe verwendet, wodurch Kosten reduziert werden können. Zudem kann durch den wegfallenden Trocknungsprozess der Durchsatz an Fügeteilen erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform werden der Fügestrahl und der mindestens eine Prozessstrahl nicht von demselben Laser erzeugt.
Insbesondere können dadurch verschiedene Laser eingesetzt werden, so dass für den Fügestrahl und den mindestens einen Prozessstrahl unabhängig voneinander optimale Laserparameter eingestellt werden können. So können beispielsweise die Fügepulsrate und die Pulsrepetitionsrate unterschiedlich gewählt werden. Da mit dem Prozessstrahl das Material des Fügepartners nicht aufgeschmolzen werden soll, kann eine geringere mittlere Prozessleistung, beispielsweise durch eine geringere Pulsrepetitionsrate bei gleicher Laserpulsintensität, wie beim Fügestrahl gewählt werden. Es ist aber auch möglich, dass der Prozessstrahl eine andere Wellenlänge aufweist, als der Fügestrahl, oder dass durch einen unterschiedlichen Fokus die Fluenz des Prozessstrahls kleiner ist, als die des Fügestrahls.
Die von dem Fügelaser in das Material eingebrachte Intensität im Fügespot ist bevorzugt zehn Mal größer, als die vom Prozesslaser in das Material eingebrachte Intensität im Heizspot. Jedoch kann der Prozessstrahl auch gleiche oder geringere Intensität gegenüber dem Hauptstrahl aufweisen.
Bevorzugt weist der mindestens eine Prozessstrahl einen zentralen Spot und mindestens einen weiteren Prozessbereich auf.
Ein zentraler Spot bedeutet, dass im Intensitätsprofil des Strahls in der Strahlmitte ein lokales Maximum vorliegt. Unter einem weiteren Prozessbereich wird dabei verstanden, dass sich vom zentralen Spot radial abgehend ein weiterer Bereich mit nicht verschwindender Laserintensität anschließt. Insbesondere kann der zentrale Spot auch zum Fügen der Gläser benutzt werden, wobei der weitere Prozessbereich geringer Intensität lediglich zum Erhitzen der Fügeumgebung genutzt wird.
Durch die Wahl einer geeigneten Strahlgeometrie kann der Intensitätsverlauf des Prozesslasers auf die Prozessumgebung des Prozessbereichs aufgeprägt werden, wodurch sich insbesondere besonders vorteilhafte thermische Gradienten in den Fügepartnern realisieren lassen.
Das Profil des zentralen Spots des mindestens einen Prozessstrahls und/oder der mindestens eine weitere Prozessbereich des mindestens einen Prozessstrahls können Gauß-förmig, oder Bessel-förmig oder Laguerre-Gauß-förmig, oder als Superposition aus den vorgenannten, ausgebildet sein.
Dadurch kann erreicht werden, dass Gauß- oder Bessel- oder Laguerre-Gauß-förmige Intensitätsprofile den natürlichen Lasermoden eines Lasers entsprechen und so das Verfahren ohne zusätzlichen optischen Justageaufwand genutzt werden kann.
Der mindestens eine weitere Prozessbereich des mindestens einen Prozessstrahls kann mindestens eine höhere Beugungsordnung umfassen.
Dadurch kann erreicht werden, dass man durch geeignete Wahl einer höheren Beugungsordnung direkt das Heizprofil des Prozessstrahls festlegen kann. Somit ist es möglich Beugungsordnungen zu nutzen, die eine möglichst flächige Ausleuchtung mit dem Prozessstrahl ermöglichen.
Der zentrale Spot und der mindestens eine weitere Prozessbereich des mindestens einen Prozessstrahls können longitudinal zueinander versetzt sein.
Longitudinal versetzt heißt in diesem Zusammenhang, dass der zentrale Spot und der Prozessbereich in Strahlrichtung gegeneinander versetzt sind. Insbesondere ist es hiermit möglich, dass ein sogenanntes räumliches Mode-Beating der Lasermoden konstruktiv eingesetzt werden kann, so dass sich in Strahlrichtung des mindestens einen Prozessstrahls mehrere Intensitätsmaxima ergeben können. Es können aber auch durch eine geeignete Optik der Prozessbereich und der zentrale Spot gegeneinander versetzt werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn zur Realisierung des Prozessstrahls mehrere Laserstrahlen überlagert werden.
Dadurch kann erreicht werden, dass durch den Prozessstrahl auch longitudinal ein Wärmeprofil in die Gläser geprägt werden kann, da sich die Spannungen während des Fügevorgangs nicht nur transversal entlang der Grenzfläche ausblenden, sondern auch in das Glas hineinragen können. Somit können auch Materialspannungen im Glas wirkungsvoll reduziert werden.
Die Strahlform des mindestens einen Prozessstrahls kann mittels einer strahlformenden Einheit und/oder mittels eines räumlichen Lichtmodulators und/oder mittels eines diffraktiven Elements und/oder mittels eines akusto-optischen Deflektors generiert werden.
Eine strahlformende Einheit kann hier insbesondere ein Objektiv zur Fokussierung des Laserstrahls sein. Ein räumlicher Lichtmodulator ermöglich es, den Prozessstrahl auf eine vorgegebene Geometrie aufzufächern, beispielsweise rund, quadratisch oder sternförmig. Ein diffraktives Element erlaubt ebenfalls, die räumliche Auffächerung des Prozessstrahls auf eine vorgegebene Geometrie vorzunehmen.
Durch einen akusto-optischen Deflektor wird es möglich, den Prozessstrahl periodisch in der Zeit abzulenken, so dass insbesondere Lissajous-Figur-förmige Heizmuster in der Grenzfläche erzeugt werden können, so dass eine größere Fläche beheizt wird. Die Ablenkung mittels akusto-optischen Deflektors erlaubt zusätzlich ein randomisiertes Bewegungsmuster, sogenanntes random access scanning, wodurch das schnelle Abscannen eines beliebigen Heizmusters ermöglicht wird.
Dadurch kann erreicht werden, dass mit einfachen Mitteln spezielle Geometrien erstellt werden können, die vom Prozessstrahl beheizt werden, so dass beispielsweise Fügestellen, die besonderen Spannungen ausgesetzt sind - beispielsweise an Kanten oder Spitzen - eine speziell angepasste Materialentspannung erfahren.
Der mindestens eine Prozessstrahl kann um den Fügestrahl herum bewegt werden.
Um den Fügestrahl herum bewegt heißt in diesem Zusammenhang, dass der Prozessstrahl sich zeitlich veränderlich relativ zum Fügestrahl bewegt. Insbesondere sieht diese Ausführungsform vor, dass der Fügestrahl das Zentrum einer Bewegung des Prozessstrahls ist, wie beispielsweise das Symmetriezentrum bei einer radialen Bewegung, oder einer Pendelbewegung. Insbesondere umfasst eine Bewegung des Prozessstrahls um den Fügestrahl herum eine Bewegung entlang (longitudinal) oder senkrecht (lateral) zur Bewegungsrichtung des Fügestrahls.
Dadurch kann erreicht werden, dass relativ zum Fügestrahl einfache geometrische Formen beheizt und parametrisiert werden können. So ist es beispielsweise bei einem zusätzlich bewegten Fügestrahl möglich, komplexe beheizte Geometrien des Prozesslasers zu erzeugen.
Die Bewegung des mindestens einen Prozessstrahls kann kreisförmig oder achtförmig sein, oder die Trajektorie der Bewegung kann aus zwei sich berührenden Kreisen oder ähnlichen Geometrien bestehen.
Dadurch kann erreicht werden, dass der Fügestrahl im Symmetriezentrum platziert werden kann, so dass symmetrisch und gleichmäßig um den Fügebereich herum eine Temperierung der Gläser vorgenommen werden kann.
Dadurch kann des Weiteren erreicht werden, dass bei einem zusätzlich bewegten Fügestrahl sogenannte Wobbel-Figuren entstehen, die in diesem Zusammenhang eine besonders stabile und spannungsfreie Verbindung der beiden Gläser ermöglichen.
Im Falle einer Bewegung des Fügestrahls kann der mindestens eine Prozessstrahl dem Fügestrahl vorlaufen oder nachlaufen, oder parallel und mit einem seitlichen Versatz zum Fügestrahl laufen.
In dieser Ausführungsform läuft der Prozessstrahl dem Fügestrahl vor, wenn er sich in Verfahrensrichtung des Fügestrahls vor ihm befindet. Analog dazu läuft der Prozessstrahl dem Fügestrahl hinterher, wenn sich der Prozessstrahl in Verfahrensrichtung des Fügestrahls hinter dem Fügestrahl befindet.
Der mindestens eine Prozessstrahl weist einen seitlichen Versatz auf, wenn er nicht mit dem Fügestrahl zusammenfällt. Die Bewegung des mindestens einen Prozessstrahls verläuft dabei parallel zum Fügestrahl, wenn sie mit derselben Geschwindigkeit und derselben Richtung stattfindet.
Dadurch kann erreicht werden, dass der Fügestrahl die Fügepartner im bereits entspannten Zustand zusammenfügen kann. Andererseits kann durch das Verfahren auch gleichzeitig eine langsamere Abkühlung durch den nachlaufenden Prozessstrahl ermöglicht werden. Im dem Falle, dass es nur einen Prozessstrahl und einen Fügestrahl gibt, können die Strahlen die gleiche Strahlintensität aufweisen.
Hierfür kann beispielsweise der Strahl des Ultrakurzpulslasers mit einem 50-50 Strahlteiler in zwei gleich intensive Strahlteile aufgespalten werden.
Dadurch kann erreicht werden, dass durch den einfachen optischen Aufbau der Justageaufwand für das optische System reduziert wird und durch die gleiche Quelle für Füge und Prozessstrahl eine einfache Leistungsanpassung gegeben ist.
Dem Fügestrahl können außerdem zwei Prozessstrahlen vorweglaufen und zwei Prozessstrahlen hinterherlaufen.
Zwei vor- und nachlaufende Prozessstrahlen haben den Vorteil, dass die Temperatur über einen größeren Bereich kontrolliert werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Prozessstrahlen symmetrisch um den Fügestrahl angeordnet sind.
Symmetrisch um den Fügestrahl heißt in diesem Fall, dass die Prozessstrahlen beispielsweise auf einer gemeinsamen runden oder viereckigen Geometrie liegen, in deren Symmetriezentrum der Fügestrahl steht.
Wie zuvor kann dadurch erreicht werden, dass bei einer symmetrisch zum Fügebereich verlaufenden Wärmediffusion die Materialspannungen durch die Prozessstrahlen symmetrisch zum Fügezentrum reduziert werden.
Die Prozessstrahlen können bevorzugt jeweils etwa ein Zehntel der Intensität des Fügestrahls ausweisen.
Die Bewegung des mindestens einen Prozessstrahls kann mittels eines akusto-optischen Deflektors und/oder einer Scanner-Einheit und/oder eines Mikro-Scanners erzeugt werden.
Durch diese optischen und einfach zugänglichen Mittel ist es möglich, die Prozess- und Fügestrahlausrichtung beispielsweise computerunterstützt zu steuern.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1A,B eine schematische Darstellung eines Füge- und Prozessbereichs;
2 einen zeitlichen Verlauf der ultrakurzen Prozess- und Fügepulse;
3A,B eine schematische Darstellung der Prozessbereiche;
4 einen longitudinalen Versatz der weiteren Prozessbereiche und des zentralen Spots;
5 eine Skizze einer allgemeinen Trajektorie des Prozessstrahls um den Fügestrahl;
6A,B,C kreisförmige, achtförmige und lineare Trajektorien des Prozessstrahls um den Fügestrahl;
7A,B Trajektorien eines Prozessstrahls bei Bewegung um den bewegten Fügestrahl;
8 eine Skizze möglicher Trajektorien von vier Prozessstrahlen um den bewegten Fügestrahl herum; und
9 eine Skizze von symmetrisch um den Fügestrahl platzierten Prozessstrahlen.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
1, umfassend 1A und 1B, zeigt zwei miteinander zu fügende Fügepartner 3, die an einer Grenzfläche 5 aneinander anliegen. Bei den beiden Fügepartner 3 kann es sich beispielsweise um zwei Gläser handeln, die an der Grenzfläche 5 aneinander anliegen und die an dieser Grenzfläche 5 miteinander gefügt werden sollen.
In dem in der 1 exemplarisch gezeigten Verfahren wird ein Prozessstrahl 2 lateral neben einem Fügestrahl 1 platziert. Beide Strahlen sind in die Grenzfläche 5 zwischen den beiden Fügepartnern 3 fokussiert, was durch die minimale Strahltaille dargestellt ist.
Die Foki können sich aber auch unter der Grenzfläche der zu fügenden Materialien befinden.
Die Foki können aber auch auseinanderfallen und beispielsweise der Fokus des Fügestrahls 1 unterhalb der Grenzfläche 5 zwischen den beiden Fügepartnern 3 angeordnet sein und der Fokus des Prozessstrahls 2 kann dann beispielsweise in die Grenzfläche 5 zwischen den beiden Fügepartnern 3 gelegt sein.
Um eine stabile Verbindung über die Grenzfläche 5 zu erreichen, werden die Fügepartner 3 lokal im Fügebereich 11 aufgeschmolzen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Fügestrahl 1 eine Anzahl, beispielsweise zehn, aufeinanderfolgende Laserpulse umfasst, die vom Fügepartner 3 nacheinander im Fügebereich 11 absorbiert werden. Dies führt durch nichtlineare Absorptionsprozesse zu einer Wärmeakkumulation im Fügepartner 3, sofern der zeitliche Pulsabstand kürzer als die Wärmediffusionszeit des Fügepartners 3 ist. So kann nach Absorption der Laserpulse die Schmelztemperatur überschritten sein und der Fügepartner 3 ist lokal aufgeschmolzen. Insbesondere sei hier darauf hingewiesen, dass durch eine geschickte Positionierung des Laserfokus erreicht werden kann, dass beide Fügepartner gleichzeitig aufgeschmolzen werden können. Wenn die Schmelze über die Grenzfläche 5 tritt und abkühlt kann sie zu einer stabilen Verbindung der beiden Fügepartner 3 führen.
Nach jedem absorbierten Fügepuls steigt die Wärme im Fügebereich 11 im Fügepartner 3 an. Diese Wärme wird durch Wärmediffusion jedoch gemäß der Wärmediffusionszeit ebenso in die Fügeumgebung 12 abgegeben. Somit entsteht ein Fügetemperaturgradient vom Fügebereich 11 zum Rand der Fügeumgebung 12. Der Fügetemperaturgradient hängt dabei von der Differenz der Schmelztemperatur und von der Temperatur der Fügepartner außerhalb des Fügebereichs ab. Ist dieser Fügetemperaturgradient zu hoch, kann es zu Spannungen im Material 6 kommen, die schließlich zu einer Rissbildung führen.
Um der Rissbildung zuvor zu kommen muss daher der Fügetemperaturgradient verringert werden, wobei die Temperatur im Fügebereich aber immer mindestens der Schmelztemperatur des Fügepartners entspricht. Dies kann dadurch geschehen, dass die Fügeumgebung auf eine höhere Temperatur geheizt wird, oder dass die Fügeumgebung künstlich vergrößert wird, so dass sich die Temperaturdifferenz über einer längeren Strecke im Fügepartner bildet.
Beide Effekte können durch das vorliegende Verfahren ausgenutzt werden. Hierzu wird ein Prozessstrahl 2 neben dem Fügestrahl 1 platziert. Der Prozessstrahl 2 heizt den Prozessbereich 21 auf. Im Gegensatz zum Fügestrahl 1 soll mit dem Prozessstrahl 2 jedoch kein Fügepartner 3 aufgeschmolzen werden. Die mittlere Leistung des Prozesslasers wird jedoch ebenso im Prozessbereich 21 des Fügepartners 3 absorbiert, so dass es dort zu einem Temperaturanstieg kommt. Durch Wärmediffusion fließt die Wärme vom Prozessbereich 21 ab, so dass sich eine Prozessumgebung 22 ausbildet. Vom Prozessbereich 21 zum Rand der Prozessumgebung 22 bildet sich somit ebenso ein Heiztemperaturgradient, der kleiner als der Fügetemperaturgradient ist. Insbesondere ist die Temperatur in der gesamten Prozessumgebung 22 erhöht oder mindestens gleich der Temperatur des Fügepartners 3 außerhalb der Fügeumgebung 12 und der Prozessumgebung 22.
Wenn der Prozessbereich 21 und der Fügebereich 11 nahe genug aneinander platziert sind, dann überlappen die ausgebildeten Prozessumgebung 22 und Fügeumgebung 11. Dadurch wird erreicht, dass im Bereich des Überlapps 4 der Fügepartner 3 eine höhere Temperatur aufweist, als wenn keine Prozessumgebung 22 ausgebildet werden würde. Somit weist insbesondere die Fügeumgebung 12 im Bereich des Überlapps 4 nun eine erhöhte Temperatur auf, so dass der Fügetemperaturgradient vom Fügebereich 11 zum Rand der Fügeumgebung 12 im Bereich des Überlapps 4 künstlich verringert wurde. Durch den geringeren Fügetemperaturgradienten kann so eine Materialspannung 6 abgebaut werden. Gleichzeitig weist der Fügepartner 3 einen gesamten Temperaturgradienten auf, der sich nun vom Fügebereich 11 zum Rand des Prozessbereichs 22 erstreckt, so dass die Temperaturabnahme im Schnitt über einen größeren Bereich erfolgt.
Insbesondere können die Rollen des Füge- und des Prozesslasers mutatis mutandis vertauscht werden.
Weiterhin kann auch der Prozessstrahl 2 den Prozessbereich 21 zumindest teilweise aufschmelzen und so den in der Fügeumgebung 11 aufgeschmolzenen Bereich erweitern beziehungsweise eine zentrale Modifikation erweitern.
In 1A ist gezeigt, dass im Fügebereich 11 beziehungsweise im Prozessbereich 21 die Intensitäten der Füge- beziehungsweise Prozessstrahlen am größten sind. Im Unterschied zum Prozessstrahl 2 ist der Fügestrahl 1 allerdings intensiv genug, um den Fügepartner 3 nahe der Grenzfläche 5 zu schmelzen, so dass mit sukzessiver Ultrakurzpulsabsorption das Schmelzzentrum in Richtung Grenzfläche 5 wandert, die Schmelze dort austritt und über die Grenzfläche 5 zum gegenüberliegenden Fügepartner 3 propagiert, mit dem die Schmelze dann beim Abkühlen eine feste Verbindung eingeht.
In einer Ausführungsform des Verfahrens haben die eingesetzten Prozess- und Fügelaser eine verstimmbare Wellenlänge im Bereich von 200nm bis 5000nm. Aufgrund des Wellenlängenbereiches, der über den optisch sichtbaren Bereich hinausgeht, gilt in einer weiteren Ausführungsform alles als Glas, was für die gewählte Laserwellenlänge transparent ist. Die Repetitionsraten liegen dabei zwischen Dauerstrichbestrahlung, 100Hz und 50MHz. Ebenso sind auch Bursts denkbar, wobei die Repetitionsrate der Pulse im Burst zwischen 1MHz und 50GHz liegen kann. Die Laserpulse sind zwischen 10fs und 50ps lang. Die Laserstrahlen werden außerdem so fokussiert, dass eine Fluenz in der Fokuszone von mehr als 10mJ/cm² erreicht werden kann. Typischerweise liegt die Modifikationsschwelle der Fügepartner zwischen 1J/cm² und 5J/cm². Um die Festigkeit der Schweißung zu erhöhen können zum Beispiel die Pulsenergien auch zeitlich moduliert werden.
In 1B sind in Draufsicht die Fügeumgebung 12 und die Prozessumgebung 22 gezeigt. Durch den Wärmetransport vom Prozess- beziehungsweise Fügebereich aus bilden sich die Prozess- und Fügeumgebungen aus, so dass diese im Überlapp 4 überlappen. Im Überlapp widerfährt der Fügeumgebung eine Temperaturerhöhung. Sollte im Überlapp eine Materialspannung wegen des starken Temperaturgradienten um den Fügebereich entstanden sein oder entstehen, dann kann diese durch den zusätzlichen Heizvorgang verringert werden, so dass es zu keinem Riss oder Sprung im Fügepartner kommt.
2 zeigt, dass für einen Ort der Fügestrahl 1 und der Prozessstrahl 2 zu unterschiedlichen Zeiten auftreffen können. Insbesondere ist gezeigt, dass die Intensität I eines Prozesspulses unterschiedlich zur Intensität des Fügepulses sein kann. Insbesondere ist außerdem gezeigt, dass der Prozessstrahl sowohl nach dem Fügepuls (Abszissenachse zeigt in positive Richtung), als auch vor dem Fügepuls (Abszissenachse zeigt in negative Richtung) im Fügepartner auftreffen kann.
3A zeigt, wie sich der zentrale Spot 23 und der weitere Prozessbereich 24 zum eigentlichen Prozessbereich 21 zusammensetzen. Im darunter gezeigten Intensitätsprofil ist gezeigt, dass sich der zentrale Spot 23 und der weitere Prozessbereich 24 aus verschiedenen Strahlprofilen zusammensetzen kann. So ist die Intensitätsverteilung des zentralen Spots auf einen deutlich kleineren Bereich verteilt, als die des weiteren Prozessbereichs.
In 3B ist gezeigt, dass der weitere Prozessbereich auch aus einer höheren Mode bestehen kann, insbesondere aus Gauß-, Bessel- und oder Laguerre-Gauß-Moden.
In 4 ist ein Prozessstrahl 2 gezeigt, der im ersten Fügepartner 3 so fokussiert ist, dass der Fügebereich mitsamt dem zentralen Spot des Prozessstrahls an der Grenzfläche 5 des ersten Fügepartners in Strahlrichtung liegt. Longitudinal versetzt dazu befinden sich die weiteren Prozessbereich 24 in dem Fügepartner 3 und nicht an der Oberfläche. Dadurch werden Materialspannungen 6 die von der Grenzfläche in den Fügepartner 3 laufen vermindert.
In 5 ist eine Ausführungsform des Verfahrens gezeigt, bei dem der Prozessstrahl 2 um den Fügestrahl 1 bewegt wird. Der Fügestrahl 1 sitzt dabei im Ursprung des Koordinatensystems, um zu verdeutlichen, dass sich eventuelle Symmetrien der Prozessstrahltrajektorie auf den momentanen Ort des Fügestrahls 1 beziehen. Insbesondere ist der Zeitpfeil so dargestellt, dass er sowohl in positive als auch zu negativen Zeiten zeigt. Das soll an dieser Stelle symbolisieren, dass die Richtung der Bewegung frei wählbar ist, so dass beispielsweise Bewegungen im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn ermöglicht werden.
In 6, umfassend 6A, 6B und 6C, werden verschiedene mögliche Bewegungen des Prozessstrahls 2 gezeigt, nämlich kreisförmig 6A, achtförmig 6B und linear 6C. In allen hier gezeigten Varianten bewegt sich der Prozessstrahl 2 relativ zum Fügestrahl 1. Die verschiedenen Formen können beispielsweise mit einem akusto-optischen Deflektor erzeugt werden. Beim Durchgang des Prozessstrahls durch einen akusto-optischen Deflektor wird dieser periodisch beispielsweise in x- und y- Richtung abgelenkt. Durch Wahl der Frequenz der x-Ablenkung und y-Ablenkung und phasenrichtige Überlagerung der periodischen Ablenkungen, können so mit dem Prozessstrahl 2 Lissajous-Figuren erzeugt werden.
In 7A wird eine Ausführungsform des Verfahrens gezeigt, bei dem der Fügestrahl 1 mit einem Vorschub entlang der x-Achse bewegt wird. Der Vorschub ist beispielsweise in der Größenordnung zwischen 10µm/s und 1m/s. Gleichzeitig wird der Prozessstrahl 2 währenddessen kreisförmig um den Fügestrahl 1 bewegt. Es ergibt sich eine sogenannte Wobbelfigur aus der Prozessstrahltrajektorie, durch die eine gleichmäßige Temperierung der Fügeumgebung 12 ermöglicht wird. Analog dazu ist in 7B eine Ausführungsform gezeigt, bei der sich der Prozessstrahl relativ zum Fügestrahl linear entlang der y-Achse auf und ab bewegt. Dadurch ergibt sich eine Sägezahnkurve der Prozessstrahltrajektorie. Es sei weiter darauf hingewiesen, dass in der gezeigten Ausführungsform der Prozessstrahl 2 dem Fügestrahl 1 hinterherläuft.
In 8 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der dem Fügestrahl 1 je zwei Prozessstrahlen 2 vorlaufen und je zwei Prozessstrahlen 2 nachlaufen. Die Prozessstrahlen 2 bewegen sich dabei auf Trajektorien um den Fügestrahl 1, die aus einer achtförmigen Bewegung stammen.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der je zwei Prozessstrahlen 2 vor- und je zwei Prozessstrahlen 2 dem Fügestrahl 1 nachlaufen. Die Prozessstrahlen 2 sind dabei symmetrisch um den Fügestrahl 1 platziert, so dass ein symmetrischer Temperaturgradient um den Fügebereich 11 realisiert werden kann. Des Weiteren haben die Prozessstrahlen 2 eine geringere Intensität als der Fügestrahl, beispielsweise je 10% der Fügestrahlintensität, was durch den kleineren Durchmesser der Prozessstrahlen in der Figur gekennzeichnet ist.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Fügestrahl
11: Fügebereich
12: Fügeumgebung
2: Prozessstrahl
21: Prozessbereich
22: Prozessumgebung
23: zentraler Spot
24: weiterer Prozessbereich
3: Fügepartner
4: Überlapp
5: Grenzfläche
6: Materialspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8314359 B2 [0008]
US 9625713 B2 [0008]

Claims

Verfahren zum Fügen von zwei Fügepartnern (3) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Fügestrahls, bevorzugt zum Fügen von mindestens einem für die Laserpulse im Wesentlichen transparenten Fügepartner mit einem weiteren Fügepartner, besonders bevorzugt zum Fügen von zwei für die Laserpulse transparenten Fügepartnern, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeumgebung (12) räumlich um den Fügebereich (11) herum und/oder zeitlich vor und/oder nach dem Fügevorgang mittels ultrakurzer Laserpulse und/oder Dauerstrichstrahlung mindestens eines Prozessstrahls erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügestrahl und der mindestens eine Prozessstrahl von unterschiedlichen Lasern erzeugt werden und insbesondere der Fügestrahl von einem Ultrakurzpulslaser erzeugt wird und der Prozessstrahl von einem Kurzpulslaser oder einem Dauerstrichlaser erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Prozessstrahl (2) einen zentralen Spot (23) und mindestens einen weiteren Prozessbereich (24) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des zentralen Spots (23) und/oder der weitere Prozessbereich des mindestens einen Prozessstrahls (2) Gauß-förmig, oder Bessel-förmig oder Laguerre-Gauß-förmig, oder als Superposition aus den vorgenannten, ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Prozessbereich (24) des mindestens einen Prozessstrahls (2) mindestens eine höhere Beugungsordnung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Spot (23) und der mindestens eine weitere Prozessbereich (24) des mindestens einen Prozessstrahls (2) longitudinal versetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlform des mindestens einen Prozessstrahls (2) mittels einer strahlformenden Einheit und/oder mittels eines räumlichen Lichtmodulators und/oder mittels eines diffraktiven Elements und/oder mittels eines akusto-optischen Deflektors generiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Prozessstrahl (2) um den Fügestrahl (1) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des mindestens einen Prozessstrahls (2) kreisförmig oder achtförmig ist, oder die Trajektorie der Bewegung aus zwei sich berührenden Kreisen oder ähnlichen Geometrien besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Bewegung des Fügestrahls (1) der mindestens eine Prozessstrahl (2) dem Fügestrahl (1) vorläuft oder nachläuft, oder parallel oder mit einem seitlichen Versatz zum Fügestrahl (1) läuft.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozessstrahl (2) und ein Fügestrahl (1) vorgesehen sind, und die Strahlen gleiche Strahlintensitäten aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fügestrahl (1) zwei Prozessstrahlen (2) vorweglaufen und zwei Prozessstrahlen (2) hinterherlaufen und dass die Prozessstrahlen (2) symmetrisch um den Fügestrahl (1) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessstrahlen (2) jeweils etwa ein Zehntel der Intensität des Fügestrahls (1) aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 sowie 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des mindestens einen Prozessstrahls (2) mittels eines akusto-optischen Deflektors und/oder einer Scanner-Einheit und/oder eines Mikro-Scanners erzeugt wird.